Процессы массопередачи характеризуются переносом вещества. Этот перенос осуществляется обычно из одной фазы в другую, поэтому для процессов массопередачи характерно наличие нескольких фаз и нескольких компонентов. Движущая сила процессов массопередачи представляет собой разность концентраций компонентов системы между данной и равновесной, при которой процесс прекращается. Поэтому предельным состоянием процесса является достижение равновесия системы. При расчете и анализе процессов массопередачи рассматриваются следующие три стороны явлений:

1. Необходимые и достаточные условия существования данного количества фаз и законы распределения компонентов в них, определяемые правилом фаз и законами равновесия.

2. Необходимые и достаточные условия, создаваемые для проведения процессов, так называемые рабочие условия, определяемые заданием начальных и конечных концентраций перерабатываемых продуктов и их количеств. Связь между заданными количествами и концентрациями устанавливается материальными балансами, в конечном виде дающими так называемые рабочие линии процесса.

3. Необходимые и достаточные условия, определяющие скорости перехода вещества из одной фазы в другую и зависящие от разности равновесной и рабочей концентраций (движущей силы процесса), физических свойств систем и гидродинамической обстановки процесса. Связь между этими факторами устанавливается при помощи уравнений диффузионной кинетики.

Одновременный учет указанных условий массопередачи позволяет выбрать рациональную конструкцию и определить размеры диффузионного аппарата. Гидродинамическая обстановка, создаваемая при проведении диффузионного процесса, в свою очередь зависит от конструктивных особенностей аппарата. Поэтому если равновесные соотношения и заданные условия проведения процесса могут быть рассмотрены вне связи с конструктивными особенностями диффузионного аппарата, то кинетика должна быть непосредственно увязана с конкретной конструкцией аппарата, в котором осуществляется процесс массопередачи.

При анализе процессов массопередачи, происходящих в диффузионных аппаратах, всю совокупность протекающих в них явлений можно условно делить на два уровня: микроуровень (микрокинетика процесса) и макроуровень (макрокинетика процесса). К микрокинетическим факторам относятся физико-химические эффекты, определяющие скорость протекания физических явлений на молекулярном (атомарном) уровне и в локальном объеме аппарата. Макрокинетика процесса изучает поведение физико-химических систем в масштабе аппарата в целом. Здесь на эффекты микроуровня накладываются гидродинамические, тепловые, диффузионные явления крупномасштабного характера, структура которых определяется конструктивными особенностями промышленного аппарата, характером подвода к нему внешней энергии, типом перемешивающих устройств и т. п.

Анализ процессов массопередачи позволяет изучить влияние различных условий проведения процесса на характеристики конечных продуктов разделения. Кроме того, он позволяет изучить некоторые внутренние характеристики процесса, такие, как профиль изменения температуры и концентраций по высоте колонны, местоположение контрольной точки с максимальным изменением температуры или других измеряемых параметров при отклонениях в режиме эксплуатации, оптимальное место ввода питания, отбора фракций и т. п. Это в свою очередь позволяет решить задачу управления процессом. Решение указанных задач может быть выполнено на основе методов моделирования. В настоящее время методы вычислительной математики и возможности современной вычислительной техники позволяют широко использовать метод математического моделирования. Этот метод открывает возможности прогнозирований. Результаты прогнозирования могут быть использованы как на стадии проектирования, так и при эксплуатации действующих установок.

При математическом моделировании процессов массопередачи широко используется блочный принцип, когда модель формируется по отдельным ее составляющим. Имея информацию о равновесных данных и составив материальный и тепловой балансы процесса, далее изучается гидродинамическая модель процесса как основа математического описания. Затем проводится исследование кинетики процесса массопередачи с учетом гидродинамических условий найденной модели и составляется математическое описание этих процессов с учетом уравнений равновесия материальных и тепловых балансов и граничных условий. На заключительном этапе моделирования математические описания всех сторон процесса объединяются в полную математическую модель.

Представление математической модели процесса в виде совокупности подсистем (блоков) позволяет и свою очередь представить процедуру построения указанной модели как совокупность операций по составлению математических моделей отдельных подсистем, т. е. реализовать блочный принцип построения математической модели.

Использование блочного принципа построения математических моделей рассматриваемых процессов, который основан на системном подходе, позволяет также принципиально наметить пути решения и такой практически важной проблемы, как масштабирование диффузионных процессов. С позиций математического моделирования масштабный переход есть не что иное, как деформация математической модели при изменении геометрических размеров, характеризующих аппаратурное оформление процесса. При применении блочного принципа построения математической модели влияние геометрических размеров на свойства процесса отражается лишь в одной подсистеме, а именно в подсистеме “Гидродинамика”. Поэтому при наличии достаточно корректного в качественном и количественном отношении математического описания этой подсистемы и становится возможным осуществить масштабный переход.

Принципиально каждый блок математической модели может иметь различную степень детализации математического описания. Важно лишь, чтобы входные и выходные переменные всех блоков модели находились во взаимном соответствии, что обеспечит получение замкнутой системы уравнений математической модели процесса в целом. Что касается состава внутренних переменных блоков, то здесь существует достаточно большая свобода выбора. В идеале математическое описание каждого блока должно включать уравнения, параметрами которых являются только физико-химические свойства разделяемых компонентов смеси, а также геометрические характеристики оборудования и факторы, определяющие заданные внешние воздействия. Однако столь детализированные описания отдельных блоков получить в настоящее время не всегда представляется возможным. Это связано, как правило, с чрезвычайным усложнением математического описания блока, что само по себе приводит к резкому усложнению математической модели процесса в целом и, кроме того, может вызвать определенные вычислительные трудности. Поэтому при практическом использовании блочного принципа в математическом описании каждого блока на том или ином уровне его детализации приходится применять эмпирические соотношения.

Идеям системного анализа и реализации блочного принципа подчинено все изложение материала предлагаемой книги. В первой части книги рассматриваются блоки “Равновесие”, “Материальные и тепловые балансы”, а во второй части книги рассматривается блок “Гидродинамика”; в третьей части — блок “Кинетика” и в четвертой части блоки объединяются в полные математические модели, позволяющие рассчитывать и оценивать конструкции различных диффузионных аппаратов.

• Равновесные соотношения в системах газ-жидкость и пар-жидкость. Основные понятия и определения. Идеальные системы. Неидеальные системы.
• Равновесные соотношения в системах жидкость-жидкость. Основные понятия и определения.

• Определение числа теоретических тарелок и основные закономерности. Периодическая ректификация. Определение числа теоретических тарелок в пределах малых и больших концентраций летучего компонента. Процессы разделения многокомпонентных систем.
• Процессы экстракции. Экстракция путем однократного контакта. Многократный контакт с подачей свежего растворителя в каждую ступень. Противоточная экстракция. Экстракция двумя растворителями.
• Циклические режимы массообменных процессов.

• Тарельчатые колонны. Конструктивные особенности колонн с колпачковыми тарелками и их гидравлика. Колонны с ситчатыми тарелками. Колонны с ситчатыми тарелками для систем жидкость-жидкость. Тарелки с однонаправленным движением фаз. Клапанные тарелки. Организация регулярно вращающегося двухфазного потока в контактных устройствах Секционирование потоков в контактных устройствах. Тарелки без переточных патрубков (колонны с провальными тарелками).
• Насадочные колонны. Сопротивление сухих насадок. Гидродинамика двухфазных систем в насадочных колоннах. Продольное перемешивание в насадке. Масштабирование насадочных колонн. Колонны с затопленной насадкой (эмульгационные колонны).